采用有限元技術(shù)分析壓力容器直徑與極限載荷的關(guān)系

楊存奎 陳永哲

摘 要：隨著國內(nèi)壓力容器的使用越來越普遍，安全隱患也日益提高，故對壓力容器器壁應(yīng)力進行準(zhǔn)確分析是非常有必要的，本文主要通過運用ANSYS有限元分析模擬軟件，分析公稱直徑（以內(nèi)徑為基準(zhǔn)）與極限載荷之間存在的關(guān)系。隨后發(fā)現(xiàn)公稱直徑與極限載荷之間呈現(xiàn)反比的關(guān)系，隨著直徑的加大，容器所能承受的極限載荷呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，這對于壓力容器的適用范疇與選取直徑的設(shè)計都是非常有幫助的，同時也有助于高壓作用下的容器的安全正常使用。

關(guān)鍵詞： 應(yīng)力分析;ANSYS;有限元;高壓容器

壓力容器在工程上的應(yīng)用越來越廣泛，高壓容器在現(xiàn)在過程工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛而且發(fā)展的非常迅速，由于高壓爆破實驗對現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展、設(shè)計、研究和制造都具有非常重要的意義，對高壓容器進行應(yīng)力分析關(guān)乎設(shè)備的正常運行。高壓下壓力容器器壁分析可減少甚至杜絕此類危險隱患的發(fā)生，因此，高壓爆破實驗具有很重要的研究價值，在高壓下對壓力容器進行應(yīng)力分析是非常必要的。對于此實驗采用的是ANSYS分析設(shè)計的方法，針對壓力容器進行具體的應(yīng)力分析，針對性的找出壓力容器在高壓條件下，薄弱的承受應(yīng)力之處，針對性的對壓力容器進行改進。

1 有限元建模

1.1 建模方法

利用有限元軟件創(chuàng)建節(jié)點，再將節(jié)點連線成面，最后旋轉(zhuǎn)平面從而獲得壓力容器，從而對不同直徑的高壓容器進行模擬建模分析。

1.2 建模尺寸

該模型的尺寸標(biāo)準(zhǔn)如下：

1. 壓力容器公稱直徑（以內(nèi)徑為基準(zhǔn)）20mm，40mm，50mm，壁厚均為3.5mm，筒體長度均為150mm。

1.3 材料屬性的選擇

壓力容器所選取的材料均為Q235的低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼，該材料的彈性模量E=0.206MPa，泊松比是u=0.2，屈服強度為235MPa。將定義的Q235材料應(yīng)用到所建的模型上，并對模型進行應(yīng)力應(yīng)變的分析模擬。

1.4 模型的網(wǎng)格劃分

在Main Menu菜單欄中選擇Preprocrssor（前處理）選項中Meshing中的Mesh（網(wǎng)格）中Volumes Free，進行幾何模型體的網(wǎng)格劃分，再點擊“Pick all”，對模型進行網(wǎng)格劃分。

1.5 載荷的施加

因涉及到的載荷是容器的內(nèi)壓，在選取加載面時會出現(xiàn)容易選到外壁的現(xiàn)象，故利用隱藏非選取面的方式選取加載面。壓力容器承受的是內(nèi)部壓力，所以施加Pressure，選取壓力容器內(nèi)表面作為內(nèi)壓的作用面。

2 不同直徑容器對分析結(jié)果的影響

材料為Q235的鋼材，其屈服強度可以近似為235MPa，其極限載荷的定義為材料在處于極限平衡狀態(tài)時所承受的載荷。通過實驗?zāi)M，對直徑為20mm容器施加不同大小的內(nèi)壓，當(dāng)內(nèi)壁的應(yīng)力接近235MPa時，此時施加的內(nèi)應(yīng)力被看作極限載荷，若超過極限載荷會導(dǎo)致容器器壁的變形，經(jīng)過ANSYS分析結(jié)果如圖2.1所示，其極限載荷為160MPa，直徑為40mm容器的極限載荷為80MPa，直徑為50mm容器的極限載荷為60MPa。所以可以得出容器的直徑越大，其極限載荷就會越小。

3 結(jié)論

從有限元軟件分析可以看出對高壓下容器的直徑與極限載荷之間的關(guān)系：容器的直徑越大，其極限載荷就會越小。

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